一种硅异质结光电阴极及其制备方法与应用

本发明涉及光伏电池，尤其涉及一种硅异质结光电阴极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、光伏等可再生能源迎来了快速发展，由于其波动性和间歇性的发电特点，限制光伏发电的实际应用。可以利用光伏发电产生的电能通过电解水制氢完成电氢转换，从而将电能转换为氢能进行存储。当光伏电力输出不足时，氢能可以通过燃料电池或其他方式转换为电力，并补足光伏电力的差额部分输入电网上，保证光伏电力的输出稳定性，可以有效改善现有模式下光伏发电的并网问题，由于氢能具有储能密度大、存储周期长、转化利用途径多样的优点，因此光电氢转换成为重要的可再生能源储能手段之一。

2、硅异质结(silicon heterojunction，shj)太阳能电池是一种由非晶硅薄膜层沉积于晶硅吸收层构成的高效低成本的光伏器件，主要包括晶硅衬底及沉积在晶硅衬底上的非晶硅薄膜，并且在非晶硅薄膜表面沉积透明导电层(transparent conductive oxide，tco)，tco主要作为载流子传输层、非晶硅保护层/接触层、减反射层，对shj太阳电池的可靠性具有重要影响，最常用的tco材料主要为锡金属参杂的in2o3，即氧化铟锡(ito)。

3、由于硅异质结太阳能电池的光电转换效率最高可达26.81％，是一种优异稳定且具有大面积规模化生产潜力的光伏产品，因此以硅异质结太阳能电池作为光吸收材料直接进行电解水制氢具有很大的应用前景。然而由于硅异质结外层的ito层浸没在电解液溶液中极易失活，因此必须在ito层表面负载保护层以隔绝电解液，同时还需要沉积析氢或析氧催化剂以实现水高效光电分解。

4、目前在硅异质结ito层表面负载保护层的制备方法主要有原子层沉积法，通过气相前驱体在沉积基体表面交替发生气固相化学吸附和反应以形成薄膜，还有分子束外延法，在超高真空环境中将组成薄膜的各元素在各自的分子束炉中加热成定向分子束，入射到加热的衬底上进行薄膜生长。然而，上述方案所应用的设备价格昂贵、制备周期较长，难以大规模推广应用，这极大地影响了硅异质结太阳电池在电解水制氢储能中的应用，因此亟需提供一种方案解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硅异质结光电阴极制备方法与应用，通过在硅异质结电池表面溅射低功函数金属钛层与析氢催化层后进行阳离子交换和沉积析氢助催化剂，能够形成耐腐蚀和提升析氢活性的复合保护层，制备方法简单、无需复杂昂贵的设备，有利于缩减制备成本和大规模地生产应用。

2、第一方面，本发明提供的一种硅异质结光电阴极的制备方法，包括以下步骤：基于直流磁控溅射在shj硅片的n面溅射低功函数金属钛层与析氢催化层，制得硅异质结复合材料；将硅异质结复合材料浸渍于金属盐溶液a内进行阳离子交换，制得离子改性材料；将离子改性材料在金属盐溶液b与碱溶液内循环交替浸渍沉积析氢助催化剂，制得硅异质结光电阴极。

3、本发明提供的硅异质结光电阴极的制备方法，通过在shj硅片上溅射低功函数金属钛层能够降低shj内部电子移动至析氢催化层的阻力，从而能够促进对水的电解，同时将硅异质结复合材料在金属盐溶液a进行浸渍后，金属盐溶液a内的金属离子能够与shj硅片表面未受金属覆盖保护的ito进行离子交换从而形成保护层结构，解决了shj表面ito层在碱性电解液内易腐蚀失活的问题，同时还能够提升析氢催化层的析氢活性。在析氢金属催化剂表面沉积的金属氢氧化物有利于加快水分子解离，从而协同提升整体析氢性能。

4、本发明提供的制备方法简单、无需复杂昂贵的设备，克服了使用原子层沉积和分子束外延法成本高、制备周期长的弊端。

5、可选地，将硅异质结复合材料浸渍于金属盐a溶液内进行阳离子交换时，所述金属盐溶液a的溶质包括钇盐、钪盐、镁盐中的至少一种。

6、可选地，将离子改性材料在金属盐溶液b与碱溶液内循环交替浸渍沉积析氢助催化剂时，所述金属盐溶液b的溶质包括钇盐、镍盐中的至少一种。

7、可选地，将硅异质结复合材料浸渍于金属盐溶液a进行阳离子交换的过程中，包括依次进行的常温浸渍与高温浸渍；在执行所述常温浸渍的过程中，浸渍温度为20-30℃，并控制所述常温浸渍时长小于或等于600s；在执行所述高温浸渍的过程中，浸渍温度为80-120℃，并控制所述高温浸渍时长小于或等于120s。

8、可选地，将离子改性材料在金属盐溶液b与碱溶液内循环交替浸渍沉积析氢助催化剂的过程中，包括：将所述离子改性材料交替浸没在金属盐溶液b与碱溶液内并循环n次，所述n为小于或等于50，且大于1的正整数；所述离子改性材料在所述金属盐溶液b与所述碱溶液中的单次浸渍时长小于或等于120s；所述金属盐溶液b与所述碱溶液的浓度均小于或等于1mol/l。

9、第二方面，本发明还提供了上述任一可选制备方法所制备的硅异质结光电阴极。

10、第三方面，本发明还提供了上述任一可选制备方法所制备的硅异质结光电阴极的应用，所述应用包括光电化学分解水制氢。

技术特征：

1.一种硅异质结光电阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将硅异质结复合材料浸渍于金属盐溶液a内进行阳离子交换时，所述金属盐溶液a的溶质包括钇盐、钪盐、镁盐中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将离子改性材料在金属盐溶液b与碱溶液内循环交替浸渍沉积析氢助催化剂时，所述金属盐溶液b的溶质包括钇盐、镍盐中的至少一种。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的制备方法，其特征在于，将硅异质结复合材料浸渍于金属盐溶液a进行阳离子交换的过程中，包括依次进行的常温浸渍与高温浸渍；在执行所述常温浸渍的过程中，浸渍温度为20-30℃，并控制所述常温浸渍时长小于或等于600s；在执行所述高温浸渍的过程中，浸渍温度为80-120℃，并控制所述高温浸渍时长小于或等于120s。

5.根据权利要求1或权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将离子改性材料在金属盐溶液b与碱溶液内循环交替浸渍沉积析氢助催化剂的过程中，包括：将所述离子改性材料交替浸没在金属盐溶液b与碱溶液内并循环n次，所述n为小于或等于50，且大于1的正整数；所述离子改性材料在所述金属盐溶液b与所述碱溶液中的单次浸渍时长小于或等于120s；所述金属盐溶液b与所述碱溶液的浓度均小于或等于1mol/l。

6.一种如权利要求1至5任一项所述制备方法所制备的硅异质结光电阴极。

7.一种如权利要求1至5任一项所述制备方法所制备的硅异质结光电阴极的应用，其特征在于，所述应用包括光电化学分解水制氢。

技术总结
本发明提供了一种硅异质结光电阴极制备方法与应用。本发明提供的制备方法包括以下步骤：基于直流磁控溅射在SHJ硅片的N面溅射低功函数金属钛层与析氢催化层，制得硅异质结复合材料；将硅异质结复合材料浸渍于金属盐溶液A内进行阳离子交换制得离子改性材料；在离子改性材料表面通过连续离子吸附与反应法沉积助催化剂制得硅异质结光电阴极。本发明通过在硅异质结电池表面溅射低功函数金属钛层与析氢催化层后进行阳离子交换和沉积助催化剂，能够形成耐腐蚀和提升析氢活性的复合保护层，制备方法简单、无需复杂昂贵的设备，有利于缩减制备成本和大规模地生产应用。

技术研发人员：李越湘,陈小明
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4